運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

1、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1、 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的歷史回顧1.1 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的概念：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是研究人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)規(guī)律的科學(xué)，它是體育科學(xué)的重要組成部分。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究體育運(yùn)動(dòng)中人體所進(jìn)行的各種體育動(dòng)作，以及在各種不同條件下，人體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的力學(xué)和生物學(xué)原因。1.2 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)科的起源和形成：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)科的形成時(shí)間并不長，但是人類注意、觀察、分析、 研究人體和生物的運(yùn)動(dòng)的歷史卻非常悠久。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)史上3個(gè)特別重要的事件是：1）1877 年美國攝影師麥布里奇 （Muybridge） 用 24架照像機(jī)拍攝了馬奔跑動(dòng)作的連續(xù)照片，其后又拍攝了人體走、跑等動(dòng)作的連續(xù)照片，

2、從而奠定了影像測(cè)量與分析的方法基礎(chǔ)。2）20 世紀(jì)初德國解剖學(xué)家布拉溫 （B ne） 、菲舍爾（Fischer） 采用尸體解剖測(cè)量了人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)，并基于此建立了第1個(gè)人體質(zhì)量分布模型，從而奠定了人體運(yùn)動(dòng)定量分析的基礎(chǔ)。3）20 世紀(jì)30年代英國生理學(xué)家希爾 （Hil1） 測(cè)量了肌肉收縮張力與速度的關(guān)系，并基于熱力學(xué)原理建立了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)一致的希爾方程。古希臘哲學(xué)家亞里士多德（ Aristotle, 公元前384 322） 就已關(guān)注人和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)。曾經(jīng)作過將“物理學(xué)”與生物學(xué)研究結(jié)合在一起的著名演說。加侖 （ C. Galenus, 公元前131-200, 古羅馬解剖學(xué)家） 通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)

3、了由腦發(fā)出沖動(dòng), 肌肉緊張收縮產(chǎn)生關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，區(qū)分了原動(dòng)肌和對(duì)抗肌，使用了動(dòng)關(guān)節(jié)與不動(dòng)關(guān)節(jié)的術(shù)語。達(dá)芬奇（Leonardo DaVinci ， 1452-1519） 是著名的畫家, 也是數(shù)學(xué)家、力學(xué)家和醫(yī)生 , 他從解剖學(xué)和力學(xué)的角度對(duì)人體姿態(tài)進(jìn)行過詳細(xì)的分析。鮑列利 （A. Borelli ， 1608-1679, 意大利數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家）進(jìn)一步研究了人和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)。著有論動(dòng)物的運(yùn)動(dòng), 他曾探索各種肌肉發(fā)力的數(shù)值, 利用杠桿原理測(cè)量人體重心的實(shí)驗(yàn)方案, 指出了人體重心的位置, 提出肌肉的作用符合數(shù)學(xué)、力學(xué)原理的論點(diǎn), 并將人體在空間的主動(dòng)位移動(dòng)作分為3 種主要運(yùn)動(dòng)方式, 即：蹬離支點(diǎn)（ 走、跑、

4、跳） 、推離他體（ 劃行 , 如游泳 ） 、拉引 （ 如攀登 ） 。18 世紀(jì)人們發(fā)現(xiàn)了電現(xiàn)象，不久“生物電”的概念便被用來解釋人體運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)功能。伽伐尼（Luigi Galvani,17371798,意大利醫(yī)學(xué)家）發(fā)現(xiàn)電刺激會(huì)引起肌肉收縮，完成了著名的論文關(guān)于電對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)的作用（ 1791 ） ， 并得出了動(dòng)物電與機(jī)器電完全一致的重要結(jié)論。1841 年，雷蒙德（Emil Du Bois Reymond, 1818-1896 ，德國生理學(xué)家）在前人研究的基礎(chǔ)上確立了肌電測(cè)量的方法。生物電的研究導(dǎo)致肌電圖儀的發(fā)明。肌電圖目前已經(jīng)廣泛用來研究運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉的工作狀況。19 世紀(jì)初韋伯兄弟（ Wi

5、helm Weber, Eduard Weber， 德國物理學(xué)家和解剖學(xué)家）用 1/60s的發(fā)條時(shí)鐘計(jì)時(shí)法, 在研究走的實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了軀干的傾斜以及垂直運(yùn)動(dòng), 得出提高走速必須減少雙支撐時(shí)間的結(jié)論。著有人體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)（ 1836） 1871 年麥布里奇（EadweardMuybridge ） 用 24 臺(tái)固定照相機(jī), 拍攝了一匹馬的奔跑狀態(tài)并測(cè)量出馬的步長, 四足騰空的現(xiàn)象，其后又拍攝了人的走, 跑等動(dòng)作的連續(xù)照片。1901 年 , 麥布里奇發(fā)表了運(yùn)動(dòng)中的人體的圖像集, 從而奠定了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)參數(shù)攝影分析測(cè)量的方法基礎(chǔ)。為了紀(jì)念他對(duì)生物力學(xué)的貢獻(xiàn), 從 1987 年第 11 屆生物力學(xué)大會(huì)開始設(shè)

6、立了“麥布里奇杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”以表彰在生物力學(xué)基礎(chǔ)理論, 研究方法和應(yīng)用研究領(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的學(xué)者。20 世紀(jì)初 , 布拉溫 （C. W. Braune） 和菲舍爾（O. Fischer） 用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了人體各環(huán)節(jié)相對(duì)重量和人體重心等慣性參數(shù), 這些材料時(shí)至今日仍被生物力學(xué)理論和實(shí)踐廣泛采 用。1916年，阿瑪爾（Amar,法國）研制了第一臺(tái)可以測(cè)定垂直、水平力的二維測(cè)力臺(tái)，為動(dòng)力學(xué)分析提供了測(cè)試手段。謝切諾夫（I. Sechenov, 1829-1905，俄國生理學(xué)家）在所著人體功能運(yùn)動(dòng)概論一書中詳盡闡述了“人體運(yùn)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)是骨杠桿 , 產(chǎn)生杠桿運(yùn)動(dòng)的是肌肉張力及其神經(jīng)支配”等問題。列斯加夫

7、特（n©Tp<J>paHueBHHJlecr a（i）T, 18371909,俄國教育家、解剖學(xué)家、醫(yī)生、體育科學(xué)體系的創(chuàng)始者）把人體形態(tài)結(jié)構(gòu)功能與體育動(dòng)作結(jié)合起來, 著有并講授了身體運(yùn)動(dòng)的理論（后更名為體育練習(xí)生物力學(xué)教程） 。伯恩斯坦（Nikolai Aleksandrovich Bernstain ， 1896 1966，前蘇聯(lián)心理和生理學(xué)家） 從 20 世紀(jì) 30 年代開始注意用神經(jīng)控制論的觀點(diǎn)來研究人體運(yùn)動(dòng), 著有論動(dòng)作的結(jié)構(gòu)。他的理論成功地應(yīng)用于康復(fù)器械的設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)心理學(xué)和蘇聯(lián)宇航員的訓(xùn)練上。 伯恩斯坦關(guān)于人體動(dòng)作系和運(yùn)動(dòng)行為結(jié)構(gòu)的思想原則, 以及運(yùn)動(dòng)感覺反饋

8、修正的理論對(duì)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的學(xué)科發(fā)展具有重要的意義。在此基礎(chǔ)上形成的“動(dòng)力系統(tǒng)理論”成為目前生物力學(xué)的一個(gè)可能的突破點(diǎn)。20 世紀(jì) 30 年代 , 英國生理學(xué)家希爾（A. V. Hill ）取青蛙的縫匠肌為試樣, 通過測(cè)量肌肉在縮短過程中的肌張力, 肌縮短速度, 肌肉產(chǎn)生的熱量及肌肉維持?jǐn)伩s狀態(tài)所需的熱量 , 并按熱力學(xué)第一定律建立了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)一致的希爾方程。他因?yàn)榧∪饬W(xué)的經(jīng)典性工作成就獲得了諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。赫胥黎（H. E. Huxley, 1954, 英國生理學(xué)家） 提出肌絲滑移學(xué)說。20 世紀(jì) 40 年代開始的以信息技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)科形成的加速劑。2

9、0 世紀(jì) 60 年代微型計(jì)算機(jī)的誕生為運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)帶來了革命性的變化，帶來了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測(cè)試儀器本質(zhì)上的進(jìn)步，促進(jìn)了這一學(xué)科的理論與實(shí)踐的不斷融合與發(fā)展。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的測(cè)量技術(shù)和研究方法2、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究現(xiàn)狀1.1 1 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)及研究方法：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，以三維動(dòng)態(tài)測(cè)力、三維高速影像解析、等動(dòng)肌力測(cè)量、多道肌電測(cè)量以及它們的同步測(cè)量技術(shù)為標(biāo)志，系統(tǒng)的測(cè)量精度已能使人體運(yùn)動(dòng)在三維空問建立清晰的力學(xué)圖像根據(jù)測(cè)最參數(shù)的自然屬性可將生物力學(xué)測(cè)量技術(shù)分為：運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)測(cè)量技術(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量技術(shù)、人體參數(shù)測(cè)量技術(shù)和肌電參數(shù)測(cè)量技術(shù)測(cè)量技術(shù)的分類也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)原理將運(yùn)動(dòng)

10、生物力學(xué)測(cè)量技術(shù)分為：力學(xué)、 電學(xué)和光學(xué)測(cè)量技術(shù)力學(xué)和電學(xué)測(cè)量過程，通常需采用接觸測(cè)量技術(shù)以測(cè)量人體或身體環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)過程，僅適合在實(shí)驗(yàn)室和訓(xùn)練中廣泛采用光學(xué)測(cè)量過程，可采用非接觸測(cè)量技術(shù)以測(cè)量人體的運(yùn)動(dòng)過程，因而可在比賽中廣泛采用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究方法基本沿用物理學(xué)和生物學(xué)的研究方法，對(duì)于活體研究，物理學(xué)方法的不完備性和生物學(xué)方法的不充分性已被認(rèn)識(shí)到，牛頓力學(xué)理論應(yīng)用于活體有其機(jī)械局限性，生物材料的黏彈性理論對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)器系建立本構(gòu)方程還缺乏邊界條件的可靠性，人體運(yùn)動(dòng)器系的力學(xué)特性的深入研究必然涉及生物學(xué)研究領(lǐng)域，如肌肉的張力特性不僅與肌纖維結(jié)構(gòu)、類型有關(guān)，而且還與受神經(jīng)系統(tǒng)控制的生物電特性有

11、關(guān)因此，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)研究，需要物理學(xué)方法和生物學(xué)方法互相滲透、融合適用于機(jī)能解剖學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)和生物化學(xué)的生物學(xué)研究方法，對(duì)于研究生物力學(xué)中的人體運(yùn)動(dòng)是基本不適用的，惟有 “走出系統(tǒng)”的研究方法，才適合于對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)研究 11.2 我國運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究現(xiàn)狀：自2O1紀(jì)8施代以來，我國運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，既涉及競技體育，也涉及社會(huì)體育，但我國競技體育優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目所占比重較高，健身、康復(fù)等方面的研究相對(duì)薄弱。我國運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究領(lǐng)域有如下特點(diǎn)：1）肌肉生物力學(xué)特性研究是生物力學(xué)領(lǐng)域的熱門課題近幾年來，運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)對(duì)肌肉損傷病理、病變及力學(xué)特性變化進(jìn)行了更加深入的

12、研究骨骼肌損傷后的力學(xué)特征變化規(guī)律已成為運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的熱點(diǎn)之一探討肌肉損傷的力學(xué)機(jī)制，認(rèn)識(shí)損傷肌肉恢復(fù)過程中的力學(xué)變化特征，對(duì)預(yù)防肌肉損傷和重復(fù)性損傷以及損傷肌肉的康復(fù)訓(xùn)練安排等有重要意義2) 競技體育方面的研究仍占相當(dāng)大的比重，但與以往相比更加注重訓(xùn)練實(shí)踐，其研究結(jié)果能更好地為競技體育服務(wù)側(cè)如，射擊運(yùn)動(dòng)中瞄準(zhǔn)技術(shù)是關(guān)鍵瞄準(zhǔn)雖是一復(fù)雜過程、但有規(guī)律可循利用激光瞄準(zhǔn)分析系統(tǒng)對(duì)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的瞄準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行量化研究，歸納、 總結(jié)出運(yùn)動(dòng)員瞄準(zhǔn)技術(shù)的規(guī)律，為訓(xùn)練提供定量的參考依據(jù)，指導(dǎo)訓(xùn)練這種方法為我國運(yùn)動(dòng)員在世界大賽中取得多枚該項(xiàng)目的金牌起到了關(guān)鍵作用3) 研究內(nèi)容更加廣泛自國家頒布全民腱身計(jì)劃綱要以

13、來，大眾健康已成為體育界研究的熱點(diǎn)問題比如， 利用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的理論研究正常人體動(dòng)作結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)功能的相互關(guān)系； 研究評(píng)價(jià)動(dòng)作指標(biāo)對(duì)人體的健身功能；關(guān)于影響青少年生長發(fā)育因素的研究等運(yùn)動(dòng)健身器村、體育科研儀器和體質(zhì)測(cè)定儀器的研制也成為熱點(diǎn)課題我國健身器材產(chǎn)品由20世紀(jì) 80年代初期模仿照搬國外不適應(yīng)中國人體型特征產(chǎn)品的初級(jí)階段，進(jìn)入到自行開發(fā)引導(dǎo)市場的芨展階段，部分產(chǎn)品現(xiàn)已達(dá)到國際水平21.3 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)面臨的若干基本問題1)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)與控制。在運(yùn)動(dòng)技能的學(xué)習(xí)與控制中，神經(jīng)肌肉系統(tǒng)是通過肌肉收縮力矩的調(diào)節(jié)與控制達(dá)到對(duì)外力矩和被動(dòng)的反作用力矩的平衡與適應(yīng)，進(jìn)而完成或發(fā)展有目的的、高效的、 協(xié)調(diào)的人

14、體動(dòng)作。然而， 單一肌肉力或肌肉力矩的在體測(cè)量是不可能的。不解決這一問題， 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)離指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)實(shí)踐，尤其是評(píng)價(jià)與指導(dǎo)肌肉力量訓(xùn)練尚遠(yuǎn)。直接測(cè)量面臨生物壁壘的拒測(cè)性，間接測(cè)量面臨復(fù)雜的肌肉功能群協(xié)作與對(duì)抗，理論計(jì)算則需實(shí)驗(yàn)測(cè)量值作為其邊界或約束條件。2) 肌力與肌電關(guān)系。肌力的測(cè)量是一個(gè)十分經(jīng)典的問題。離體肌肉力學(xué)的研究成果已十分豐富， 但離體肌肉力學(xué)的研究結(jié)論斷然不可簡單地應(yīng)用于在體。離體意味著肌肉的失神經(jīng)支配， 并藉此可能動(dòng)搖肌絲滑移學(xué)的成立假設(shè)，這也是生物力學(xué)與力學(xué)的區(qū)別。因此，肌電測(cè)量被很多學(xué)者嘗試著用來評(píng)定肌力，然而， 肌力與肌電間的數(shù)量關(guān)系是很難確定的，不同肌肉問的肌電干擾，肌電

15、幅值與肌力的即時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們還基本不清楚。肌電對(duì)肌力的影響，即肌肉募集肌電使肌肉收縮的過程，我們雖已有所認(rèn)識(shí)，但其逆過程，即肌力對(duì)肌電的影響， 我們還幾乎一無所知。運(yùn)動(dòng)控制理論提示，這一逆過程是存在的，這就演繹成為一個(gè)因果循環(huán)，即既要用肌電評(píng)價(jià)肌力，又要將肌力作為肌電的初條件。3)力學(xué)傳遞函數(shù)。力學(xué)量在人體內(nèi)的傳遞是通過肌肉、骨骼、關(guān)節(jié)鏈狀系統(tǒng)之間的相互作用完成的。力學(xué)傳遞函數(shù)是這類系統(tǒng)的較好描述，但這類函數(shù)是相當(dāng)復(fù)雜的，牽涉到許多材料力學(xué)問題。生物力學(xué)中 “生理剛化”的目的就是增大傳遞效果，但只在活體狀態(tài)下出現(xiàn)。將傳感器置入關(guān)節(jié)或人工假肢內(nèi)，可以直接測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的骨骼應(yīng)力變化。將傳感器固

16、定于關(guān)節(jié)外體表處，可以間接測(cè)量關(guān)節(jié)內(nèi)的壓力變化。然而，真體與假體、直接與間接測(cè)量的區(qū)別是顯而易見的。骨骼剛性材料的力學(xué)傳遞尚且如此，肌肉柔性材料的力學(xué)傳遞則更為復(fù)雜，這其中有大量的數(shù)學(xué)力學(xué)問題有待研究。3、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)1)計(jì)算機(jī)是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)發(fā)展的核心運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的理論研究將偏重于計(jì)算方法的準(zhǔn)確和簡煉、理論研究的系統(tǒng)I 生和完整性借助電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)快速精確地測(cè)量和實(shí)時(shí)處理人體運(yùn)動(dòng)的各種力學(xué)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合分析和聯(lián)機(jī)分析，及實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)由于許多實(shí)驗(yàn)不能直接在人體上進(jìn)行，同時(shí)為了對(duì)運(yùn)動(dòng)效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中，已經(jīng)出現(xiàn)了種種模型，隨著電子計(jì)算機(jī)的普及，模型技

17、術(shù)中的計(jì)算量大、復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的困難已逐步得到解決，因此， 建立各種模型進(jìn)行模擬試驗(yàn)是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法的又一發(fā)展趨勢(shì)中國成年人體質(zhì)的新國家標(biāo)準(zhǔn)已于1 998 年正式頒布，從此我國取得了我們自己的中國正常人體參數(shù)的科學(xué)依據(jù)結(jié)束了多年來借用外國人體參數(shù)的歷史，填補(bǔ)了一項(xiàng)重要的空白2) 競技體育方面的研究更加依禎高新技術(shù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究將更加重訓(xùn)練實(shí)踐，研究成果要能為競技體育服務(wù)運(yùn)動(dòng)測(cè)試儀器的專項(xiàng)化是這一發(fā)展方向的具體體現(xiàn)，也是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)解決體育訓(xùn)練問題的較為客觀和有效的方法運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的技術(shù)分析和研究會(huì)困研究儀器的發(fā)展而得到相應(yīng)提高, 使研究更加細(xì)致、更接近運(yùn)動(dòng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在很大程度上將依

18、賴于高新技術(shù)和高新村料的創(chuàng)新和發(fā)展，新的材料和新的技術(shù)將使運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的手段和儀器功能得到大幅度提高，因此， 適時(shí)運(yùn)用高新技術(shù)和高新材料來研制生物力學(xué)的測(cè)試儀器是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的一個(gè)重要課題3) 運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)的研究將更加深入，而且與運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)結(jié)臺(tái)更加緊密肌肉生物力學(xué)已成為熱門課題，對(duì)預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷的研究也將是個(gè)熱門課題，但對(duì)于分子生物力學(xué)方面的研究成果還很少今后，應(yīng)廣泛結(jié)合運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)和生物學(xué)、運(yùn)動(dòng)生理學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等學(xué)科中的研究方法，共同解決人體運(yùn)動(dòng)中的有關(guān)問題4) 研究對(duì)象更加廣泛運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究除繼續(xù)對(duì)競技體育進(jìn)行研究外，還應(yīng)向青少年、老年人、殘疾人的體育運(yùn)動(dòng)、軍事技術(shù)動(dòng)作以及與人體有關(guān)的一些設(shè)備，向非奧運(yùn)項(xiàng)目延伸將是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中的一個(gè)重要發(fā)展方向5) 學(xué)科教學(xué)體系將更加完善目前的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在學(xué)科體系和教材體系上幾乎均沿襲理論力學(xué)的框架，而作為一門學(xué)科，就有其自身的學(xué)科體系和教材體系為完善運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的學(xué)科科學(xué)體系，應(yīng)